Лабораторная работа № 05

Лабораторная работа № 5.

Полупроводниковые диоды.

Цель

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода.

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе.

5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.

Приборы и элементы

Источники гармонической ЭДС

Источник постоянного напряжения

Диод 1N4001

Резисторы

Краткие сведения из теории

Проще всего измерять напряжение на диоде в схеме рис. 5.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:

I_ПР = (E – U_ПР)/R, (5.1)

где I_ПР - ток диода в прямом направлении,

Е - напряжение источника питания,

U_ПР - напряжение на диоде в прямом направлении.

Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 5.1, можно снять ВАХ диода по

той же методике и в обратном направлении

I_ОБ = (E – U_ОБ)/R, (5.2)

где I_ОБ - ток диода в обратном направлении,

U_ОБ - напряжение на диоде в обратном направлении.

Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме ма-лых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

Соберите схему (рис. 5.1). Измерьте напряжение на диоде U_ПР при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь измерьте напряжение на диоде U_ОБ при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите ток диода при прямом I_ПР и обратном I_ОБ смещении согласно формулам (5.1) и (5.2).

Эксперимент 2. Измерение тока.

Соберите схему (рис. 5.2) и включите схему. Измерьте ток диода I_ПР при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь измерьте ток I_ОБ диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

Измерьте значения напряжения U_Д на диоде и его сопротивления при прямом смещении при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5.1 раздела "Результаты измерений", и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

Переверните диод и измерьте значения напряжения U_Д на диоде и его сопротивления при обратном смещении при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5.2 раздела "Результаты измерений", и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

Постройте график зависимости сопротивления диода от напряжения на диоде при прямом и обратном смещении.

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода.

а). Прямая ветвь ВАХ. Соберите схему (рис. 5.3). Включите схему. П оследовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В запишите значения напряжения U_ПР и тока I_ПР диода в таблицу а) раздела "Результаты экспериментов".

б). Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В, 15 В запишите значения тока I_ОБ и напряжения U_ОБ в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов".

в). По полученным данным постройте графики I_ПР (U_ПР) и I_ОБ (U_ОБ).

г). Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при I_ПР = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для I_ПР = 0.4 мА и I_ПР =0.2 мА. Ответы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты экспериментов".

е). Вычислите сопротивление диода на постоянном токе I_ПР = 4 мА по формуле R_CT= U_ПР / I_ПР и занесите результат в раздел "Результаты экспериментов".

ж). Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Э ксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа.

Соберите схему (рис. 5.4). Измерьте значения напряжения U_Д на диоде и тока через диод при прямом смещении при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5.5 раздела "Результаты измерений", и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

Переверните диод и измерьте значения напряжения U_Д на диоде и и тока через диод при обратном смещении при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5.6 раздела "Результаты измерений", и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

Постройте вольт-амперные характеристики диода при прямом и обратном смещении.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

Измерьте и запишите напряжения на диоде:

Напряжение при прямом смещении, U_ПР

Измерение

Напряжение при обратном смещении, U_ОБР

Измерение

Ток при прямом смещении, I_ПР

Расчет

Ток при обратном смещении, I_ОБР

Расчет

Эксперимент 2. Измерение тока.

Измерьте и запишите ток при прямом и обратном смещении

Ток при прямом смещении, I_ПР

Расчет

Ток при обратном смещении, I_ОБР

Расчет

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

Сопротивление диода при прямом смещении

Таблица 5.1

	напряжение источника ЭДС
	0В	0.2В	0.4В	0.6В	0.8В	1В	1.2В	1.4В	1.6В	1.8В	2В
напряжение на диоде
сопротивление диода

Сопротивление диода при обратном смещении

Таблица 5.2

	напряжение источника ЭДС
	0В	1В	2В	3В	4В	5В	6В	7В	8В	9В	10В
напряжение на диоде
сопротивление диода

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода.

Вычислите и запишите токи и напряжения.

а). Прямая ветвь ВАХ.

Таблица 5.3

Е, В	UПР, мВ	IПР, мА
5
4
3
2
1
0.5
0

б). Обратная ветвь ВАХ.

Таблица 5.4

Е, В	UОБ, мВ	IОБ, мА
0
5
10
15

в). Построение графиков ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ Обратная ветвь ВАХ

г). Дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении, вычисленное по ВАХ.

R_ДИФ, при I_ПР = 4мА

Расчет

R_ДИФ, при I_ПР = 0.4мА

Расчет

R_ДИФ, при I_ПР = 0.2мА

Расчет

д). Дифференциальное сопротивление диода при обратном смещении, вычисленное по ВАХ.

R_ДИФ, при U_ОБР = 5В

Расчет

е). Вычислите R_CT при I_ПР = 4мА

R_CT

Расчет

ж). Напряжение изгиба, полученное из волът-амперной характеристики.

U_ИЗГ

Измерение

Эксперимент 5. Получение ВАХ диода.

при прямом смещении

Таблица 5.5

	напряжение источника ЭДС
	0В	0.2В	0.4В	0.6В	0.8В	1В	1.2В	1.4В	1.6В	1.8В	2В
напряжение на диоде	0	202uV	400	598	798	1mV
ток через диод	0	0	0	0	0	0

при обратном смещении

Таблица 5.2

	напряжение источника ЭДС
	0В	1В	2В	3В	4В	5В	6В	7В	8В	9В	10В
напряжение на диоде
ток через диод

Вопросы

1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями?

3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?

4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

5. Что такое ток насыщения диода? Сделайте поясняющий рисунок.

6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?

7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?

8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?